1. Géologie Externe

1. Définition de la géologie

La géologie est la science qui étudie les parties de la Terre directement accessibles à l’observation, ainsi que l’élaboration d’hypothèses pour reconstituer leur histoire et expliquer leur agencement.

La géologie permet de comprendre la formation, la composition et l’évolution des roches et des structures terrestres.

2. Les grandes disciplines de la géologie

3. Exemples de roches étudiées en pétrologie

• Roches magmatiques : Gabbro (examen macro et lame mince)
• Roches sédimentaires : Calcaires carbonatés bioclastiques marins (ex. à balanes, mollusques, amphistégines, algues rouges)

4. Importance de la géologie externe

• Comprendre les processus qui façonnent la surface terrestre.
• Reconstituer les environnements passés (actualisme).
• Étudier les risques naturels liés au climat et aux aléas géologiques.
• Gérer les ressources en eau souterraine (hydrogéologie).

5. Applications pratiques

• Hydrogéologie : gestion des nappes d’eau souterraine.
• Paléontologie : processus de fossilisation et utilisation des fossiles stratigraphiques.
• Cartographie géologique : reconstitution des environnements passés à partir des roches sédimentaires et fossiles.

La géologie est une science fondamentale pour comprendre notre environnement, ses ressources et ses risques.

1. Paléontologie : définition et champs d’étude

• Paléontologie : étude des êtres fossiles, animaux (paléozoologie) ou végétaux (paléobotanique), et de leurs traces.
• Fondamentale pour la biostratigraphie et les théories de l’évolution.

2. Spécialités de la paléontologie

3. Fossiles : définition et types

• Fossile : conservation dans une roche sédimentaire d’un reste ou d’une preuve indirecte de vie.
• Types de fossiles :
  1. Reste physique : organisme complet ou partiel.
  2. Fossiles moléculaires : biomolécules, anomalies isotopiques (ex. δ13C).
  3. Traces d’activités biologiques : terriers, galeries, empreintes.
  4. Empreintes/moulages : parties molles ou squelettes.

4. Traces d’activité biologique

a) Habitat et déplacement

• Bioturbations : perturbations biologiques des sédiments (terriers, tubes, galeries, perforations, racines).
• Empreintes et pistes : traces de pas sur sédiments continentaux ou marins (ex. empreintes de dinosaures).

b) Nutrition

• Traces de prédation : griffures, morsures, perforations.
• Autres traces : tubes, galeries, cavités, excréments fossilisés (coprolithes ou pellets fécaux).
• Restes alimentaires fossilisés : reliefs de repas, bourres.

c) Reproduction

• Fossiles liés à la reproduction : pontes, nids, stades larvaires et embryonnaires.
• Exemples : embryons phosphatés, œufs et nids de dinosaures.

À retenir : Un fossile peut être un reste direct ou une preuve indirecte de vie, incluant des traces d’activité biologique variées (habitat, nutrition, reproduction).

1. Stratigraphie et chronologie

La stratigraphie étudie les successions verticales de dépôts sédimentaires, ainsi que l’enchaînement des événements géologiques, en s’appuyant notamment sur la biostratigraphie qui analyse la succession des faunes et flores fossiles.

2. Principes fondateurs de la chronologie relative

1. Principe d’horizontalité
   Les couches sédimentaires se déposent généralement de manière horizontale ou parallèlement à la couche sous-jacente.

2. Principe de superposition
   Dans des terrains non déformés, les couches les plus basses sont les plus anciennes, les couches supérieures les plus récentes.

3. Principe de continuité
   Une couche sédimentaire, définie par un faciès donné, est d’âge identique en tous ses points tant qu’elle n’est pas interrompue.

4. Principe de recoupement
   Tout objet ou événement (faille, érosion, couche) qui en recoupe un autre est toujours postérieur à celui-ci.

5. Principe d’inclusion
   Un objet inclus dans un autre est toujours antérieur à celui qui l’inclut.

3. Notions clés

• Faciès sédimentaire : ensemble des caractéristiques d’un dépôt (texture, nature des grains, figures sédimentaires) qui reflète les conditions de dépôt.

4. Chronologie absolue et datation radiométrique

• Les isotopes radioactifs sont des éléments dont le nombre de neutrons varie, certains étant instables (radioactifs).
• La datation radiométrique repose sur la désintégration progressive de ces isotopes (éléments père) en isotopes fils, permettant de mesurer le temps écoulé depuis la formation d’un minéral.

À retenir : Les principes de la stratigraphie relative permettent d’ordonner les événements géologiques, tandis que la datation radiométrique fournit une échelle de temps absolue.

1. Tectonique et géomorphologie

a) Géomorphologie

• Définition : La géomorphologie étudie l’évolution des reliefs superficiels terrestres, à la croisée de la géologie et de la géographie.
• Elle analyse les formes du relief, leur genèse et leur évolution sous l’action des processus tectoniques, climatiques et sédimentaires.

b) Tectonique

• La tectonique concerne les déformations de la lithosphère terrestre, responsables de la formation des reliefs (montagnes, failles, plis).
• Ces déformations sont liées aux mouvements des plaques tectoniques.

c) Relations entre tectonique et géomorphologie

• La tectonique crée des structures géologiques (failles, plis, chevauchements) qui influencent la morphologie des paysages.
• La géomorphologie permet d’interpréter l’histoire tectonique à partir des formes du relief.

d) Exemples de formes géomorphologiques liées à la tectonique

e) Importance pratique

• La compréhension de la tectonique et de la géomorphologie est essentielle en géologie appliquée et ingénierie (exploitation minière, travaux publics, hydrogéologie).
• Elle permet d’évaluer les risques naturels (séismes, glissements de terrain) et de gérer les ressources naturelles.

À retenir : La tectonique structure le relief, la géomorphologie en analyse l’évolution, leur interaction est fondamentale pour comprendre les paysages terrestres.

1. Hydrocarbures : définitions et classifications

• Hydrocarbures conventionnels : huiles à faible viscosité, stockées dans des roches perméables, extraites facilement par pompage vertical.
• Hydrocarbures non conventionnels : difficiles à extraire, soit à cause de roches peu perméables, soit à cause de leur viscosité élevée. La distinction repose sur le mode d’extraction.

2. Hydrocarbures non conventionnels : types et modes d’extraction

3. Évolution des réserves et de la production

• La demande énergétique mondiale a augmenté de +60% depuis 2000, entraînant une hausse des émissions de CO₂ de +50%.
• Les réserves prouvées de pétrole brut sont mesurées en milliards de barils (Gbarils).
• La production conventionnelle tend à décliner naturellement sans investissements récurrents.
• La production est maintenue grâce à des investissements importants, notamment dans les hydrocarbures non conventionnels.

4. Énergie et unités

• 1 EJ (exajoule) = $0,28 \times 10^{12}$ kWh.
• La consommation énergétique mondiale ne montre pas de déclin prévu à court terme.

À retenir : Les hydrocarbures non conventionnels se distinguent par leur mode d’extraction complexe, nécessitant souvent forage horizontal et fracturation hydraulique, et représentent une part croissante de la production mondiale face au déclin des ressources conventionnelles.

1. Hydrocarbures : définitions et réserves

• Réserves 1P (Prouvées) : quantités d'hydrocarbures dont l'extraction est certaine avec la technologie actuelle.
• Réserves 2P (Prouvées + Probables) : incluent les réserves prouvées plus celles dont l'extraction est probable.
• Réserves 3P (Prouvées + Probables + Possibles) : ajoutent aux 2P les réserves possibles, moins certaines.

a) Données clés (2022-2024)

2. Hydrocarbures conventionnels vs non conventionnels

• Hydrocarbures conventionnels :
  • Facilement extraits par des méthodes classiques (forage vertical).
  • Présents dans des réservoirs poreux et perméables.
• Hydrocarbures non conventionnels :
  • Nécessitent des techniques spécifiques (fracturation hydraulique, forage horizontal).
  • Souvent piégés dans des roches-mères ou réservoirs à faible perméabilité.

3. Importance de la géologie dans l'étude des hydrocarbures

• La géologie permet de comprendre la formation, la localisation et l'exploitation des hydrocarbures.
• Elle s'appuie sur la sédimentologie, la paléontologie et la géochimie pour reconstituer les environnements passés favorables à la formation d'hydrocarbures.

À retenir : Les réserves prouvées d'hydrocarbures sont limitées et leur exploitation dépend fortement des avancées technologiques et de la géologie des réservoirs.

1. Aléas naturels et risques géologiques

a) Définitions clés

• Aléa naturel : phénomène naturel susceptible de causer des dommages (ex. : séismes, glissements de terrain, inondations).
• Risque géologique : probabilité qu’un aléa naturel provoque des conséquences dommageables sur les populations, infrastructures ou environnement.

b) Origine des aléas géologiques

Les aléas naturels résultent de processus géologiques externes (érosion, sédimentation, phénomènes climatiques) ou internes (mouvements tectoniques, volcanisme).

c) Types d’aléas naturels liés à la géologie externe

d) Risques liés aux glaciations passées (exemple paléoenvironnemental)

• Les dépôts glaciogéniques (tillites, diamictites) témoignent d’anciennes glaciations majeures, comme celle du Néoprotérozoïque (>600 Ma).
• Ces dépôts permettent de reconstituer des épisodes climatiques extrêmes, par exemple la théorie de la Terre boule de neige.
• Les successions sédimentaires (calcaire dolomitique, siltite lagunaire) enregistrent les phases pré-, syn- et post-glaciaires.

e) Importance de la géologie paléoenvironnementale

• Discipline interdisciplinaire reliant biologie, chimie, physique, écologie et mathématiques.
• Analyse des roches sédimentaires pour reconstituer les climats, environnements et écosystèmes passés.
• Les sédiments sont des archives naturelles des conditions environnementales depuis plus de 4 milliards d’années.
• Permet de comprendre les processus sédimentaires, interactions entre eau, air, vie et roches.

f) Méthodologie de reconstitution paléoenvironnementale

1. Collecte de données sur le terrain (stratigraphie, lithologie, fossiles).
2. Analyse en laboratoire (chimie isotopique, microscopie, datations).
3. Interprétation intégrée pour reconstituer les conditions climatiques et environnementales passées.

À retenir : Les aléas naturels géologiques sont liés aux processus dynamiques de la Terre, et leur étude repose sur l’analyse des archives sédimentaires qui permettent de comprendre les risques actuels et passés.

1. Géologie paléoenvironnementale : principes et applications

La géologie paléoenvironnementale étudie les environnements anciens à partir des indices géologiques, notamment les roches sédimentaires, pour reconstituer les conditions passées de la Terre ou d’autres planètes.

2. Exemple clé : la planète Mars

• Mission Perseverance (depuis 2020) : analyse des roches martiennes pour détecter la présence passée d’eau liquide et d’éventuelles traces de vie.
• Observation de roches sédimentaires martiennes avec :
  • Litages plans et obliques : indiquent des courants fluviatiles (écoulements d’eau).
  • Figures sédimentaires de vagues : rides de houle en surface.
  • Conglomérats : graviers piégés dans un sable lithifié, preuve d’un transport et dépôt par l’eau.
  • Rides éoliennes : formées par le vent, déplacent les grains non lithifiés.

Ces observations montrent que les processus d’érosion, transport et dépôt par l’eau sur Mars ont été similaires à ceux de la Terre.

3. Reconstitution des environnements martiens

• Données sédimentaires permettent de proposer une reconstitution des environnements martiens il y a 4 milliards d’années.
• Mars actuelle : climat aride, vents forts, atmosphère ténue, ciel rose-orangée.

4. Rôle central de l’eau en géologie externe

• L’eau est le moteur principal des processus sédimentaires : altération, érosion, transport, dépôt, lithification.
• Propriétés essentielles de l’eau :
  • Solvant universel : dissout de nombreuses substances chimiques.
  • Capacité à dissoudre même les minéraux résistants selon la durée d’exposition.
• L’eau est indispensable à la vie et constitue une ressource essentielle.

5. Cycle de l’eau (hydrogéologie)

• Aquifères : roches perméables saturées contenant la nappe phréatique.
• Surface du sol : zone non saturée en eau.
• Océans, lacs, cours d’eau : réservoirs d’eau à la surface.

À retenir : L’étude des roches sédimentaires et des processus liés à l’eau permet de reconstituer les environnements anciens, sur Terre comme sur Mars, en analysant les traces laissées par l’eau liquide dans les sédiments.

1. Évaporation et évapotranspiration

• Loi de Coutagne (1802) : Le taux d'évaporation $E$ d'un plan d'eau dépend du déficit de saturation de l'air $(e_s - e_a)$ et de la vitesse du vent $u$ selon :

  $$E = f(u) \cdot (e_s - e_a)$$

• Évapotranspiration potentielle (ETP) : quantité d'eau évaporée et transpirée par la végétation, estimée par plusieurs formules empiriques :

2. Notions clés en hydrogéologie

• Recharge : apport d'eau à une nappe phréatique par infiltration.
• Nappe phréatique : couche d'eau souterraine saturée.
• Niveau piézométrique : hauteur du niveau d'eau dans un piézomètre, indicateur de la pression dans la nappe.
• Profondeur de la nappe : distance verticale entre la surface et le toit de la nappe.

3. Cartographie hydrogéologique

• Hydro-isohypses (ou isopièzes) : lignes joignant les points de même niveau piézométrique, traduisant la topographie de la nappe.
• Carte hydrogéologique : superposition des cartes géologiques et des isopièzes pour visualiser l’aquifère et son comportement.

4. Bilan hydrologique d’un bassin versant

• Entrées : précipitations (pluie).
• Sorties : évapotranspiration, écoulements (surface et souterrains).
• La nappe agit comme une boîte noire où la recharge et le débit sont mesurés.
• 1 mm d’eau correspond à 1 L d’eau par m².

5. Relations entre rivière et nappe

6. Conséquences des captages

• Cône de rabattement : abaissement local du niveau piézométrique autour d’un puits captant, modifiant la nappe.
• En milieu littoral, captages excessifs peuvent provoquer l’intrusion d’eau salée (équilibre hydrostatique de Ghijben-Hersberg).

7. Loi de Darcy (1856)

• Débit d'eau $Q$ à travers un massif poreux :

  $$Q = K \cdot A \cdot \frac{h_2 - h_1}{L}$$

  où
  $K$ = coefficient de perméabilité (m/s),
  $A$ = section du massif (m²),
  $h_2 - h_1$ = différence de charge hydraulique (m),
  $L$ = longueur du massif (m).

• Gradient hydraulique $I$ :

  $$I = \frac{h_2 - h_1}{L}$$

  Il mesure la pente de la nappe et détermine le sens et la vitesse d’écoulement de l’eau souterraine.

À retenir : La loi de Darcy relie le débit d'eau souterraine au gradient hydraulique et à la perméabilité du milieu, base fondamentale de l'hydrogéologie.